单体电池的制造

单体电池的制造 硅单体太阳电池的主要制造工艺主要包包括表面准备、扩散制结、制作电极和减反射膜几道工序，下面分 别作一叙述 2．1 硅片的表面处理 硅片的表面准备是制造硅太阳电池的第一步主要工艺，它包括硅片的化学清洗和表面腐蚀。 2．1．1 硅片的化学处理 通常，由单晶棒所切割的硅片表面可能污染的杂质大致可归纳为三类1、油脂、松香、蜡等有机物质。 2、金属、金属离子及各种无机化合物。3 、尘埃以及其它可溶性物质，通过一些化学清洗剂可以达到去污 的目的。如硫酸、王水、酸性和碱性过氧化氢溶液等。 2．1．2 硅片的表面腐蚀 m 厚的损伤层，腐蚀液有酸性和碱性两类。 硅片经过初步清洗去污后，要进行表面腐蚀，这是由于机械 切片后，在硅片表面留下的平均为 30～50 1、酸性腐蚀法 硝酸和氢氟酸的混合液可以起到很好的腐蚀作用，其溶液配比为浓硝酸氢氟酸101 到 21。硝酸的 作用是使单质硅氧化为二氧化硅，其反应为 3Si4HNO33SiO22HO24NO 而氢氟酸使在硅表面形成的二氧化硅不断溶解，使反应不断进行，其反应为 生成的络合物六氟硅酸溶于水，通过调整硝酸和氢氟酸的比例，溶液的温度可控制腐蚀速度，如在腐蚀液 中加入醋酸作缓冲剂，可使硅片表面光亮。一般酸性腐蚀液的配比为 硝酸氢氟酸醋酸53 3 或 511 2、碱性腐蚀 硅可与氢氧化钠、氢氧化钾等碱的溶液起作用，生成硅酸盐并放出氢气，化学反应为 Si2NaOHH2ONa2SiO32H2 C 下不同浓度的 NaOH 溶液对（100）晶向硅片的腐蚀速度。出于经济上的考虑，通常用较廉价的 NaOH 溶液，图 3.4 为 100 图 3.4 硅片在不同浓度 NaOH 溶液中的腐蚀速率 碱腐蚀的硅片表面虽然没有酸腐蚀光亮平整，但制成的电池性能完全相同，目前，国内外在硅太阳电池生 产中的应用表明，碱腐蚀液由于成本较低，对环境污染较小，是较理想的硅表面腐蚀液，另外碱腐蚀还可 以用于硅片的减薄技术，制造薄型硅太阳电池。 2．1．3 碱面硅表面的制备 太阳电池主要进展之一是应用了绒面硅片，绒面状的硅表面是利用硅的各向异性腐蚀，在硅表面形成无数 的四面方锥体，图 3.5 为扫描电子显微镜观察到的绒面硅表面。 图 3.5 在扫描电镜下绒面电池表面的外貌 m 的峰是方形底面金字塔的顶。这些金字塔的 高 10 侧面是硅晶体结构中相交的111面 由于入射光在表面的多次反射和折射，增加了光的吸收，其反射率很低，故绒面电池也称为黑电池或无反 射电池。 m 为宜。各向异性腐蚀即腐蚀速度随单晶的不同结晶方向而变化，一般说来，晶面间的共价健密度越高， 也就越难腐蚀。对于硅而言，如选择合适的腐蚀液和腐蚀温度，（100）面可比（111 ）面腐蚀速度大数 十倍以上。因此，（100）硅片的各向异性腐蚀最终导致在表面产生许多密布的表面为（111 ）面的四面 方锥体，由于腐蚀过程的随机性，方锥体的大小不等，以控制在 3～6 C 左右，为了获得均匀的绒面，还应在溶液中添加醇类（如无水乙醇或异丙醇等）作为络合剂，加快硅的 腐蚀。 硅的各向异性腐蚀液通常用热的碱性溶液，如氢氧化钠，氢氧化钾，氢氧化锂，联氨和乙二胺等， 商品化电池的生产中，通常使用廉价的氢氧化钠稀溶液（浓度为 1～2）来制备绒面硅，腐蚀温度为 80 2．2 扩散制结 制结过程是在一块基体材料上生成导电类型不同的扩散层，它和制结前的表面处理均是电池制造过程中的 关键工序。制结方法有热扩散，离子注入，外延，激光及高频电注入法等。本节主要介绍热扩散法。 扩散是物质分子或原子运动引起的一种自然现象，热扩散制 pn 结法为用加热方法使 V 族杂质掺入 P 型 或Ⅲ族杂质掺入 n 型硅。硅太阳电池中最常用的 V 族杂质元素为磷，Ⅲ族杂质元素为硼。 /□，硅太阳电池所用的主要热扩散方法有涂布源扩散，液态源扩散，固态源扩散等，下面分别对这几种方 法作简单介绍。m，方块电阻均 20～70 对扩散的要求是获得适合于太阳电池 pn 结需要的结深和扩散 层方块电阻，浅结死层小，电池短波响应好，而浅结引起串联电阻增加，只有提高栅电极的密度，才能有 效提高电池的填充因子，这样，增加了工艺难度，结深太深，死层比较明显，如果扩散浓度太大，则引起 重掺杂效应，使电池开路电压和短路电流均下降，实际电池制作中，考虑到各个因素，太阳电池的结深一 般控制在 0.3～0.5 2．2．1 涂布源扩散 涂布源扩散一般分简单涂源扩散和二氧化硅乳胶源涂布扩散。 简单涂源扩散是用一、二滴五氧化二磷或三氧化二硼在水（或乙醇）中稀溶液，预先滴涂于 p 型或 n 型硅 片表面作杂质源与硅反应，生成磷或硼硅玻璃。沉积在硅表面的杂质元素在扩散温度下向硅内部扩散。因 而形成 pn 或 np 结。 工业生产中，涂布源方法有喷涂，刷涂，丝网印刷，浸涂，旋转涂布等。该方法成本低廉，适宜于小批量 生产涂源扩散工艺的主要控制因素是扩散温度，扩散时间和杂质源浓度，最佳扩散条件常随硅片的性质和 扩散设备而变化。 实例 p 型硅片 晶向（111） 电阻率 cm 1.0 C扩散温度 900～950 扩散时间 10～15min 氮气流量 30～70ml/min 杂质源为特纯 P2O5 在水或乙醇中的溶液 /□表面方块电阻 20～40 C 下烧烘烤后逐步形成无定型的二氧化硅。二氧化硅乳胶可在硅酸乙酯中加水和无水乙醇经过水解而成， 也可将四氯化硅通入醋酸后加乙醇制得。乳胶中适量溶解五氧化二磷或三氧化二硼等杂质，并经乙醇稀释 成可用的二氧化硅乳胶源。二氧化硅乳胶实际上是一种有机硅氧烷的水解聚合物，能溶于乙醇等有机溶 剂中，形成有一定粘度的溶液，它在 100～400 cm实例，1 P 型硅片中，将掺杂五氧化二磷的这种源涂布， C干燥温度 200 C扩散温度 800～950 扩散时间 15～ 60min /□则可使方块电阻为 10～40 m 左右。结深 0.5 2．2．2 液态源扩散